JPH10170334A - 振動測定装置 - Google Patents
振動測定装置Info
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- JPH10170334A JPH10170334A JP8332114A JP33211496A JPH10170334A JP H10170334 A JPH10170334 A JP H10170334A JP 8332114 A JP8332114 A JP 8332114A JP 33211496 A JP33211496 A JP 33211496A JP H10170334 A JPH10170334 A JP H10170334A
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- laser light
- light
- laser
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- Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 測定系中に振動するものを配設することなし
に微小振動の振動パターンの計測を行う。 【解決手段】 被検振動体Ｔから反射されてくる光を導
く被検光路からの光に、参照光路からの光を重ね合わし
て受光し、レーザ光の干渉縞信号を取得する。このと
き、コントローラ１０によりレーザ光源１２からの出射
レーザ光の波長を変調し、同時に振動付与器１１によ
り、レーザ光の周波数と同一の周波数で被検振動体Ｔを
振動させ、変調されたレーザ光の位相を被検振動体の振
動位相に対して変化させる。このようにしてコントロー
ラ１０による制御が行われている間にわたって、固体撮
像素子３０により干渉縞信号を取得して被検振動体にお
ける振動の振幅分布および位相分布を測定する。
に微小振動の振動パターンの計測を行う。 【解決手段】 被検振動体Ｔから反射されてくる光を導
く被検光路からの光に、参照光路からの光を重ね合わし
て受光し、レーザ光の干渉縞信号を取得する。このと
き、コントローラ１０によりレーザ光源１２からの出射
レーザ光の波長を変調し、同時に振動付与器１１によ
り、レーザ光の周波数と同一の周波数で被検振動体Ｔを
振動させ、変調されたレーザ光の位相を被検振動体の振
動位相に対して変化させる。このようにしてコントロー
ラ１０による制御が行われている間にわたって、固体撮
像素子３０により干渉縞信号を取得して被検振動体にお
ける振動の振幅分布および位相分布を測定する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、微小な振幅を持つ
振動体の振幅分布、位相分布を測定する装置に関する。
振動体の振幅分布、位相分布を測定する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】光の干渉を利用した測定は、測定精度が
高いこともあり、様々な測定に用いられている。このよ
うな干渉計としては、トワイマングリーン干渉計、マッ
ハツェンダー干渉計、フィゾー干渉計等がある。
高いこともあり、様々な測定に用いられている。このよ
うな干渉計としては、トワイマングリーン干渉計、マッ
ハツェンダー干渉計、フィゾー干渉計等がある。
【０００３】さらにこのような干渉計において、参照光
路の光路長を変調することにより、被検振動体の微小振
動を測定する方法も知られている。例えば、振幅ａ(x,
y)、周波数ωで調和振動する物体に波長λの光を照射し
てその像をＴＶカメラ上に結像させ、この物体からＴＶ
カメラへの反射光の入射光路内に上記照射光と同一光源
からの光をそのまま参照光として入射させて物体からの
光と干渉させ、これをカメラに映し出すという方法があ
る。なおここで、(x,y)は振動面の座標位置を示す。こ
のとき得られる干渉信号Ｉ(x,y,t)は、振動物体からの
光の強度をＩo(x,y)とし、参照光の強度をＩr(x,y)とす
ると、式（１．１）および（１．２）により表される。
なお、これら式において、ｔは時間、θo(x,y)は物体の
振動の初期位相、Ｌは物体からの光の光路と参照光の光
路の光路長差である。
路の光路長を変調することにより、被検振動体の微小振
動を測定する方法も知られている。例えば、振幅ａ(x,
y)、周波数ωで調和振動する物体に波長λの光を照射し
てその像をＴＶカメラ上に結像させ、この物体からＴＶ
カメラへの反射光の入射光路内に上記照射光と同一光源
からの光をそのまま参照光として入射させて物体からの
光と干渉させ、これをカメラに映し出すという方法があ
る。なおここで、(x,y)は振動面の座標位置を示す。こ
のとき得られる干渉信号Ｉ(x,y,t)は、振動物体からの
光の強度をＩo(x,y)とし、参照光の強度をＩr(x,y)とす
ると、式（１．１）および（１．２）により表される。
なお、これら式において、ｔは時間、θo(x,y)は物体の
振動の初期位相、Ｌは物体からの光の光路と参照光の光
路の光路長差である。
【０００４】
【数１】
【０００５】この干渉信号Ｉ(x,y,t)を十分に多くの周
期にわたって（少なくとも１０周期以上にわたって）積
分すると、式（１．３）で表される強度分布Ｍ(x,y)が
得られることが従来から知られており、これにより振動
の振幅分布を求めることができる。なお、Ｊ0は、０次
のベッセル関数である。この強度分布Ｍ(x,y)は、図２
に示すように、振動振幅ａ＝０の場所で最大強度１とな
り、約λ／４毎に第２，第３・・・のピークを取る。式
（１．３）は、強度分布Ｍ(x,y)が、物体の振動により
生じる光路長差（光源から物体に照射されて反射されＴ
Ｖカメラに至る光路長（被検光路長）と、光源から参照
光路を通ってＴＶカメラに至る光路長（参照光路長）と
の差の変化量２ａ(x,y)の関数として表されることを示
している。
期にわたって（少なくとも１０周期以上にわたって）積
分すると、式（１．３）で表される強度分布Ｍ(x,y)が
得られることが従来から知られており、これにより振動
の振幅分布を求めることができる。なお、Ｊ0は、０次
のベッセル関数である。この強度分布Ｍ(x,y)は、図２
に示すように、振動振幅ａ＝０の場所で最大強度１とな
り、約λ／４毎に第２，第３・・・のピークを取る。式
（１．３）は、強度分布Ｍ(x,y)が、物体の振動により
生じる光路長差（光源から物体に照射されて反射されＴ
Ｖカメラに至る光路長（被検光路長）と、光源から参照
光路を通ってＴＶカメラに至る光路長（参照光路長）と
の差の変化量２ａ(x,y)の関数として表されることを示
している。
【０００６】
【数２】
【０００７】上記の振動測定方法は、λ／４以上の大き
な振幅分布を計測するのには適しているが、振動振幅ａ
(x,y)が小さい場合には、図２からも分かるように、強
度分布Ｍ(x,y)は最大強度１近傍の値のみとなってしま
うため、微小な振動分布を検出することは難しい。
な振幅分布を計測するのには適しているが、振動振幅ａ
(x,y)が小さい場合には、図２からも分かるように、強
度分布Ｍ(x,y)は最大強度１近傍の値のみとなってしま
うため、微小な振動分布を検出することは難しい。
【０００８】このような欠点を補う方法として、参照光
光路変調法が知られている。この方法の場合には、上述
の計測を行う装置における参照光路中に配設したミラー
を、振幅ｂで、被検振動体と同じ振動周波数ωで振動さ
せる。これにより干渉信号の位相項φ(x,y)は、式
（２．１）で表される。
光路変調法が知られている。この方法の場合には、上述
の計測を行う装置における参照光路中に配設したミラー
を、振幅ｂで、被検振動体と同じ振動周波数ωで振動さ
せる。これにより干渉信号の位相項φ(x,y)は、式
（２．１）で表される。
【０００９】
【数３】 φ(x,y)＝２ａ(x,y)sin(ωｔ＋θo(x,y)）−２ｂsin(ωｔ＋θr） ・・・（２．１）
【００１０】ここで、θrは参照光の初期位相である。
式（２．１）を変形すると、式（２．２）となる。
式（２．１）を変形すると、式（２．２）となる。
【００１１】
【数４】 φ(x,y)＝２Ａ(x,y)sin(ωｔ＋θd） ・・・（２．２） 但し、 Ａ(x,y)2 ＝ａ(x,y)2＋ｂ2−２ａ(x,y)ｂcos(θo(x,y)−θr） ・・・（２．３） tanθd＝(ａ(x,y)sinθo(x,y)−ｂsinθr)/(ａ(x,y)cosθo(x,y)−ｂcosθr) ・・・（２．４）
【００１２】式（２．１）は、「参照光路中のミラーを
振幅ｂで振動させて光路長を変調すること」が「被検振
動物体の振幅が式（２．２）で表される振幅Ａ(x,y)で
振動し、参照光路は変調しない場合」に等しいことを示
しており、式（１．３）のａ(x,y)をＡ(x,y)で置き換え
て式（２．５），（２．６）が得られる。
振幅ｂで振動させて光路長を変調すること」が「被検振
動物体の振幅が式（２．２）で表される振幅Ａ(x,y)で
振動し、参照光路は変調しない場合」に等しいことを示
しており、式（１．３）のａ(x,y)をＡ(x,y)で置き換え
て式（２．５），（２．６）が得られる。
【００１３】
【数５】
【００１４】この方法によれば、被検物体の振動振幅ａ
(x,y)が小さいときでも、ｂの値を大きくすることによ
り、振動振幅ａ(x,y)の分布を感度良く強度分布Ｍ(x,y)
に置き換えることができる。最も効果があるのは、ｂの
値を関数Ｊo2が最も大きく、リニアな部分（ｂ〜λ／１
０）に設定する方法である。この領域では、強度分布Ｍ
(x,y)は、近似的に式（２．７）と表すことができる。
(x,y)が小さいときでも、ｂの値を大きくすることによ
り、振動振幅ａ(x,y)の分布を感度良く強度分布Ｍ(x,y)
に置き換えることができる。最も効果があるのは、ｂの
値を関数Ｊo2が最も大きく、リニアな部分（ｂ〜λ／１
０）に設定する方法である。この領域では、強度分布Ｍ
(x,y)は、近似的に式（２．７）と表すことができる。
【００１５】
【数６】 Ｍ(x,y)＝ｋ0−ｋ1Ａ(x,y) ・・・（２．７）
【００１６】また、被検物体の振動振幅ａ(x,y)がミラ
ー振幅ｂに比べて十分小さい場合には、式（２．３）よ
りＡ(x,y)は、式（２．８）と近似的に表される。
ー振幅ｂに比べて十分小さい場合には、式（２．３）よ
りＡ(x,y)は、式（２．８）と近似的に表される。
【００１７】
【数７】
【００１８】合成振幅Ａ(x,y)は、被検物体とミラーの
振動の位相関係Δθ(x,y)を変化させることにより、ｂ
＋ａ(x,y)と、ｂ−ａ(x,y)との間で変化する。式（２．
８）を式（２．７）に代入すると、強度分布を表す式
（２．９）が得られる。
振動の位相関係Δθ(x,y)を変化させることにより、ｂ
＋ａ(x,y)と、ｂ−ａ(x,y)との間で変化する。式（２．
８）を式（２．７）に代入すると、強度分布を表す式
（２．９）が得られる。
【００１９】
【数８】 Ｍ(x,y，Δθ)＝ｋ0−ｋ1(ｂ−ａ(x,y)cosΔθ(x,y)） ・・・（２．９）
【００２０】Δθ(x,y)が全面でほぼ等しい値を取る場
合（物体の振動の位相分布θ0が物体全面で等しい場
合）には、物体と参照ミラーの振動が同位相（Δθ＝
０）のときと、逆位相（Δθ＝π）のときの差を取る
と、式（２．１０）のようになり、物体の微小な振幅ａ
(x,y)を計測することができる。
合（物体の振動の位相分布θ0が物体全面で等しい場
合）には、物体と参照ミラーの振動が同位相（Δθ＝
０）のときと、逆位相（Δθ＝π）のときの差を取る
と、式（２．１０）のようになり、物体の微小な振幅ａ
(x,y)を計測することができる。
【００２１】
【数９】 ΔＭ(x,y)＝Ｍ(x,y,π)−Ｍ(x,y,0)＝２ｋ1ａ(x,y) ・・・（２．１０）
【００２２】Δθ(x,y)が全面で一定とは見なせない場
合には、参照光路の初期位相がθr＝０，π／２，π，
３π／２のときのＭ(x,y)の値をそれぞれＭ0(x,y)，Ｍ1
(x,y)，Ｍ2(x,y)，Ｍ3(x,y)とすると、これらは式
（２．１１）〜（２．１４）のようになる。
合には、参照光路の初期位相がθr＝０，π／２，π，
３π／２のときのＭ(x,y)の値をそれぞれＭ0(x,y)，Ｍ1
(x,y)，Ｍ2(x,y)，Ｍ3(x,y)とすると、これらは式
（２．１１）〜（２．１４）のようになる。
【００２３】
【数１０】 Ｍ0(x,y)＝ｋ0−Ｋ1(ｂ−ａ(x,y)cosθ0(x,y)) ・・・（２．１１） Ｍ1(x,y)＝ｋ0−Ｋ1(ｂ−ａ(x,y)cos(θ0(x,y)−π／２)) ＝ｋ0−Ｋ1(ｂ＋ａ(x,y)sinθ0(x,y)) ・・・（２．１２） Ｍ2(x,y)＝ｋ0−Ｋ1(ｂ−ａ(x,y)cos(θ0(x,y)−π)) ＝ｋ0−Ｋ1(ｂ＋ａ(x,y)cosθ0(x,y)) ・・・（２．１３） Ｍ3(x,y)＝ｋ0−Ｋ1(ｂ−ａ(x,y)cos(θ0(x,y)−３π／２)) ＝ｋ0−Ｋ1(ｂ−ａ(x,y)sinθ0(x,y)) ・・・（２．１４）
【００２４】上記式から次のように定義されるＳ(x,y)
を計算すれば、式（２．１５）に示すように、微小振幅
ａ(x,y)のみをとりだすことができる。また、このとき
の物体の振動の初期位相の分布θ0(x,y)は、式（２．１
６）により求めることができる。なお、K1はベッセル関
数Ｊ0の傾きであり既知の値である。
を計算すれば、式（２．１５）に示すように、微小振幅
ａ(x,y)のみをとりだすことができる。また、このとき
の物体の振動の初期位相の分布θ0(x,y)は、式（２．１
６）により求めることができる。なお、K1はベッセル関
数Ｊ0の傾きであり既知の値である。
【００２５】
【数１１】 Ｓ(x,y) ＝(Ｍ1(x,y)−Ｍ3(x,y))2＋(Ｍ2(x,y)−Ｍ0(x,y))2 ＝(２ｋ1ａ(x,y)sinθo(x,y))2＋(２ｋ1ａ(x,y)cosθ0(x,y))2 ＝４ｋ1 2ａ(x,y)2 ・・・（２．１５） θ0(x,y)＝arctan((Ｍ1(x,y)−Ｍ3(x,y))／(Ｍ2(x,y)−Ｍ0(x,y)) ・・・（２．１６）
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】以上の方法を用いれ
ば、微小振動の計測が可能であるが、上記のような従来
の方法では波長が一定である光源を用いており、参照ミ
ラーを振動させる必要がある。ところで、上記のように
して物体の微小振動を計測するには、計測のための光学
系が安定していなければならないが、参照ミラーを振動
させるとその振動が他の光学系にまで伝わり、正確な計
測が難しいという問題がある。
ば、微小振動の計測が可能であるが、上記のような従来
の方法では波長が一定である光源を用いており、参照ミ
ラーを振動させる必要がある。ところで、上記のように
して物体の微小振動を計測するには、計測のための光学
系が安定していなければならないが、参照ミラーを振動
させるとその振動が他の光学系にまで伝わり、正確な計
測が難しいという問題がある。
【００２７】本発明はこのような問題に鑑み、ミラーを
振動させることなく微小振動の振動パターンの計測が可
能な振動測定装置を提供することを目的とする。
振動させることなく微小振動の振動パターンの計測が可
能な振動測定装置を提供することを目的とする。
【００２８】
【課題を解決するための手段】このような目的達成のた
め、本発明においては、波長変調可能なレーザ光源と、
被検震動体を振動させる振動付与器と、レーザ光源から
の出射レーザ光を二分割する光分割手段と、光分割手段
により分割された一方のレーザ光を被検振動体上に照射
させて被検振動体から反射されてくる光を導く被検光路
と、被検光路の長さと異なる光路長さを有するとともに
光分割手段により分割された他方のレーザ光を導く参照
光路と、被検光路を通ったレーザ光と参照光路を通った
レーザ光とを重ね合わせる光合成手段と、光合成手段に
より重ね合わされたレーザ光を受光してこのように重ね
合わされたレーザ光の干渉縞信号を得る信号取得手段
と、レーザ光源の出力波長を変調制御するレーザ波長変
調手段とを備えて構成される。
め、本発明においては、波長変調可能なレーザ光源と、
被検震動体を振動させる振動付与器と、レーザ光源から
の出射レーザ光を二分割する光分割手段と、光分割手段
により分割された一方のレーザ光を被検振動体上に照射
させて被検振動体から反射されてくる光を導く被検光路
と、被検光路の長さと異なる光路長さを有するとともに
光分割手段により分割された他方のレーザ光を導く参照
光路と、被検光路を通ったレーザ光と参照光路を通った
レーザ光とを重ね合わせる光合成手段と、光合成手段に
より重ね合わされたレーザ光を受光してこのように重ね
合わされたレーザ光の干渉縞信号を得る信号取得手段
と、レーザ光源の出力波長を変調制御するレーザ波長変
調手段とを備えて構成される。
【００２９】そして、レーザ波長変調手段によりレーザ
光源からの出射レーザ光の波長を変調し、同時に振動付
与器により、このように変調されたレーザ光の周波数と
同一の周波数で被検振動体を振動させ、変調されたレー
ザ光の位相を被検振動体の振動位相に対して変化させ
る。このようにしてレーザ波長変調手段による制御が行
われている間にわたって、信号取得手段により干渉縞信
号を取得して被検振動体における振動の振幅分布および
位相分布を測定する。
光源からの出射レーザ光の波長を変調し、同時に振動付
与器により、このように変調されたレーザ光の周波数と
同一の周波数で被検振動体を振動させ、変調されたレー
ザ光の位相を被検振動体の振動位相に対して変化させ
る。このようにしてレーザ波長変調手段による制御が行
われている間にわたって、信号取得手段により干渉縞信
号を取得して被検振動体における振動の振幅分布および
位相分布を測定する。
【００３０】以上の構成の本発明に係る振動測定装置の
場合には、振動する被検振動体に照射するレーザ光を変
調するだけで被検振動体の微小振動の測定が可能であ
る。このため、従来のようにミラーを振動させる必要が
なく、測定系に振動するものが存在しないため、高精度
な測定が可能である。
場合には、振動する被検振動体に照射するレーザ光を変
調するだけで被検振動体の微小振動の測定が可能であ
る。このため、従来のようにミラーを振動させる必要が
なく、測定系に振動するものが存在しないため、高精度
な測定が可能である。
【００３１】なお、レーザ波長変調手段によるレーザ光
の波長変調量Δλは、被検光路と参照光路との光路長差
をＬ、レーザ光の波長をλとして、式 λ2／（１０
Ｌ）＜ Δλ ＜ λ2／（４Ｌ） により求めるのが
好ましい。
の波長変調量Δλは、被検光路と参照光路との光路長差
をＬ、レーザ光の波長をλとして、式 λ2／（１０
Ｌ）＜ Δλ ＜ λ2／（４Ｌ） により求めるのが
好ましい。
【００３２】また、十分に長い時間にわたって（少なく
とも周波数周期の１０倍以上の長い時間にわたって）得
られた干渉縞信号の平均値から、被検振動体における振
動の振幅分布および位相分布を測定するのが望ましい。
とも周波数周期の１０倍以上の長い時間にわたって）得
られた干渉縞信号の平均値から、被検振動体における振
動の振幅分布および位相分布を測定するのが望ましい。
【００３３】変調されたレーザ光の位相を被検振動体の
振動位相と一致させたときにおける干渉縞信号の平均値
を第１データＭ0(x,y)として取得し、さらに、変調され
たレーザ光の位相を被検振動体の振動位相に対して、そ
れぞれπ，π／２，３π／２だけずらせたときにおける
干渉縞信号の平均値を第２データＭ1(x,y)，第３データ
Ｍ2(x,y)，第４データＭ3(x,y)として取得する。そし
て、式 (Ｍ1(x,y)−Ｍ3(x,y))2＋(Ｍ2(x,y)−Ｍ0(x,
y))2＝４ｋ1 2ａ(x,y)2 から、振幅分布ａ(x,y)を計算
し、式 θ0(x,y)＝arctan((Ｍ1(x,y)−Ｍ3(x,y))／(Ｍ
2(x,y)−Ｍ0(x,y))から、位相分布θ0(x,y)を計算する
ことができる。
振動位相と一致させたときにおける干渉縞信号の平均値
を第１データＭ0(x,y)として取得し、さらに、変調され
たレーザ光の位相を被検振動体の振動位相に対して、そ
れぞれπ，π／２，３π／２だけずらせたときにおける
干渉縞信号の平均値を第２データＭ1(x,y)，第３データ
Ｍ2(x,y)，第４データＭ3(x,y)として取得する。そし
て、式 (Ｍ1(x,y)−Ｍ3(x,y))2＋(Ｍ2(x,y)−Ｍ0(x,
y))2＝４ｋ1 2ａ(x,y)2 から、振幅分布ａ(x,y)を計算
し、式 θ0(x,y)＝arctan((Ｍ1(x,y)−Ｍ3(x,y))／(Ｍ
2(x,y)−Ｍ0(x,y))から、位相分布θ0(x,y)を計算する
ことができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の具体的な実施形態
を説明する。前述のように従来では参照光路に配設した
ミラーを振動させて被検振動物体の微小振動を計測して
いたが、このようにミラーを振動させるとこの振動が他
の光学系等に影響して測定誤差を増加させるという問題
がある。このため、本発明では、光源に半導体レーザを
用い、その波長を変調することによって固体振動を発生
させることなく被検振動物体の微小振動を測定する。
を説明する。前述のように従来では参照光路に配設した
ミラーを振動させて被検振動物体の微小振動を計測して
いたが、このようにミラーを振動させるとこの振動が他
の光学系等に影響して測定誤差を増加させるという問題
がある。このため、本発明では、光源に半導体レーザを
用い、その波長を変調することによって固体振動を発生
させることなく被検振動物体の微小振動を測定する。
【００３５】まず、前述の式（１．１）において、波長
をΔλ(t)だけ変化させた場合を考えると、干渉信号Ｉ
(x,y,t)は、次式（３．１）のようになる。
をΔλ(t)だけ変化させた場合を考えると、干渉信号Ｉ
(x,y,t)は、次式（３．１）のようになる。
【００３６】
【数１２】
【００３７】ここで、波長を式｛Δλ(t)＝Δλsin(ω
ｔ＋θl) ・・・（３．２）｝となるように正弦波状に
変調する場合を考える。この式（３．２）を式（３．
１）に代入すると、式（３．３）および式（３．４）の
ように変形することができる。
ｔ＋θl) ・・・（３．２）｝となるように正弦波状に
変調する場合を考える。この式（３．２）を式（３．
１）に代入すると、式（３．３）および式（３．４）の
ように変形することができる。
【００３８】
【数１３】
【００３９】式（３．４）を式（２．１）と比べると、
式（２．１）のｂを、（ＬΔλ／２λ）で置き換えたも
のに等しいことが分かる。このため、（ＬΔλ／２λ）
が、Ｊo2のリニアな領域（λ／20 〜 λ／8）に一致す
るΔλを選択すれば、前述の議論に従い、被検物体の微
小な振動ａ(x,y)を検出することが可能になる。この条
件は式（３．５）のように表される。
式（２．１）のｂを、（ＬΔλ／２λ）で置き換えたも
のに等しいことが分かる。このため、（ＬΔλ／２λ）
が、Ｊo2のリニアな領域（λ／20 〜 λ／8）に一致す
るΔλを選択すれば、前述の議論に従い、被検物体の微
小な振動ａ(x,y)を検出することが可能になる。この条
件は式（３．５）のように表される。
【００４０】
【数１４】 （λ／２０） ＜（Δλ／２λ）＜ （λ／８） よって、 λ2／（１０Ｌ） ＜ Δλ ＜ λ2／（４Ｌ） ・・・（３．５）
【００４１】
【実施例】次に、本発明に係る振動測定装置の具体的な
実施例を図１を参照して説明する。この装置は、被検振
動体Ｔの振動を測定する装置であり、被検振動体Ｔに所
定振動を付与するピエゾ素子、アンプ、マイクロフォン
等からなる振動付与器１１と、この振動付与器１１の作
動を制御するコントローラ１０と、同じくこのコントロ
ーラ１０により出力制御されるレーザ光源１２とが図示
のように設けられている。
実施例を図１を参照して説明する。この装置は、被検振
動体Ｔの振動を測定する装置であり、被検振動体Ｔに所
定振動を付与するピエゾ素子、アンプ、マイクロフォン
等からなる振動付与器１１と、この振動付与器１１の作
動を制御するコントローラ１０と、同じくこのコントロ
ーラ１０により出力制御されるレーザ光源１２とが図示
のように設けられている。
【００４２】レーザ光源１２から出射されたレーザ光は
第１ビームスプリッタ１３により、被検光Ａ１と参照光
Ａ２とに分割される。被検光Ａ１は第１ミラー１４によ
り反射されて第１凸レンズ１５に入射し、ここでピンホ
ール１６に集光されてこれを通過して発散光となり、被
検振動体Ｔを照射する。被検振動体Ｔから反射された被
検光Ａ１は、第２および第３凸レンズ１７，１８、可変
絞り１９を介して固体撮像素子３０に入射し、固体撮像
素子３０により被検振動体Ｔの画像信号が取得される。
なお、このようにレーザ光源１２から固体撮像素子３０
に至る被検光Ａ１の光路を被検光路と称する。
第１ビームスプリッタ１３により、被検光Ａ１と参照光
Ａ２とに分割される。被検光Ａ１は第１ミラー１４によ
り反射されて第１凸レンズ１５に入射し、ここでピンホ
ール１６に集光されてこれを通過して発散光となり、被
検振動体Ｔを照射する。被検振動体Ｔから反射された被
検光Ａ１は、第２および第３凸レンズ１７，１８、可変
絞り１９を介して固体撮像素子３０に入射し、固体撮像
素子３０により被検振動体Ｔの画像信号が取得される。
なお、このようにレーザ光源１２から固体撮像素子３０
に至る被検光Ａ１の光路を被検光路と称する。
【００４３】一方、参照光Ａ２は、ＮＤフィルター２１
およぴビームエキスパンダー２２を通った後、第２ミラ
ー２３により反射されて第４凸レンズ２４に入射し、こ
こでピンホール２５に集光されてこれを通過して発散光
となり、第２ビームスプリッタ２７により被検光Ａ１と
合成されて固体撮像素子３０に入射する。なお、このよ
うにレーザ光源１２から固体撮像素子３０に至る参照光
Ａ２の光路を参照光路と称する。
およぴビームエキスパンダー２２を通った後、第２ミラ
ー２３により反射されて第４凸レンズ２４に入射し、こ
こでピンホール２５に集光されてこれを通過して発散光
となり、第２ビームスプリッタ２７により被検光Ａ１と
合成されて固体撮像素子３０に入射する。なお、このよ
うにレーザ光源１２から固体撮像素子３０に至る参照光
Ａ２の光路を参照光路と称する。
【００４４】このように固体撮像素子３０には、被検光
Ａ１と参照光Ａ２とが重ね合わされて入射され、この固
体撮像素子３０により両光の干渉縞信号を取得すること
ができる。なお、このようにして固体撮像素子３０によ
り得られた画像信号は画像処理装置３１を介してモニタ
ー３２により表示される。また、この信号情報はコント
ローラ１０にフィードバックされる。
Ａ１と参照光Ａ２とが重ね合わされて入射され、この固
体撮像素子３０により両光の干渉縞信号を取得すること
ができる。なお、このようにして固体撮像素子３０によ
り得られた画像信号は画像処理装置３１を介してモニタ
ー３２により表示される。また、この信号情報はコント
ローラ１０にフィードバックされる。
【００４５】以上の構成の振動測定装置において、コン
トローラ１０によりレーザ光源１２から出射されるレー
ザ光の波長を変調させれば、前述のように、被検振動体
Ｔの微小振動を検出することが可能である。この振動測
定の具体的な方法を以下に説明する。
トローラ１０によりレーザ光源１２から出射されるレー
ザ光の波長を変調させれば、前述のように、被検振動体
Ｔの微小振動を検出することが可能である。この振動測
定の具体的な方法を以下に説明する。
【００４６】（ステップ１） まず、検出光路と参照光
路の光路長差Ｌと、レーザ光源１２から出射されるレー
ザ光の波長λとから、上述の式（３．５）に従って、波
長変調量Δλを決める。例えば、レーザ光の波長λ＝８
３０ｎｍ、光路長差Ｌ＝２０ｍｍとすると、波長変調量
Δλ＝０．００６９ｎｍ＝６．９ｐｍが得られる。
路の光路長差Ｌと、レーザ光源１２から出射されるレー
ザ光の波長λとから、上述の式（３．５）に従って、波
長変調量Δλを決める。例えば、レーザ光の波長λ＝８
３０ｎｍ、光路長差Ｌ＝２０ｍｍとすると、波長変調量
Δλ＝０．００６９ｎｍ＝６．９ｐｍが得られる。
【００４７】（ステップ２） 予め測定しておいたレー
ザ光源１２に用いられる半導体レーザのデータから、上
記波長変調量Δλに相当する電流変調量ΔＩを決める。
ここで、上記波長変調量Δλ＝６．９ｐｍを得るために
は、すなわち、レーザ光の波長を６．９ｐｍ変調するに
は、例えば、レーザ光源１２の駆動電流を０．５２ｍＡ
変調すれば良く、これは十分大きな変調量である。
ザ光源１２に用いられる半導体レーザのデータから、上
記波長変調量Δλに相当する電流変調量ΔＩを決める。
ここで、上記波長変調量Δλ＝６．９ｐｍを得るために
は、すなわち、レーザ光の波長を６．９ｐｍ変調するに
は、例えば、レーザ光源１２の駆動電流を０．５２ｍＡ
変調すれば良く、これは十分大きな変調量である。
【００４８】（ステップ３） 被検振動体Ｔに振動付与
器（ピエゾ素子）１１により付与する振動の周波数と、
信号の強さを決める。なお、この振動周波数は、上記電
流変調量ΔＩにより変調されるレーザ光の周波数と同一
に設定される。
器（ピエゾ素子）１１により付与する振動の周波数と、
信号の強さを決める。なお、この振動周波数は、上記電
流変調量ΔＩにより変調されるレーザ光の周波数と同一
に設定される。
【００４９】（ステップ４） 被検振動体Ｔの振動の周
波数および位相と、レーザ光源１２からのレーザ光の周
波数および位相とを一致させる。すなわち、同一周波数
および位相の振動およびレーザ光となるように、コント
ローラ１０により、振動付与器１１およびレーザ光源１
２の作動を制御する。このときレーザ光源１２に付与す
る駆動信号の電流変調量は上記のΔＩ（例えば、０．５
２ｍＡ）である。
波数および位相と、レーザ光源１２からのレーザ光の周
波数および位相とを一致させる。すなわち、同一周波数
および位相の振動およびレーザ光となるように、コント
ローラ１０により、振動付与器１１およびレーザ光源１
２の作動を制御する。このときレーザ光源１２に付与す
る駆動信号の電流変調量は上記のΔＩ（例えば、０．５
２ｍＡ）である。
【００５０】（ステップ５） このような制御を行った
ときに、被検光路と参照光路とから固体撮像素子３０に
入射する光による干渉縞信号の平均値を、与えた信号の
周期に比べて十分長い時間（少なくとも、１０周期以
上）にわたって取得し、これを第１データＭ0(x,y)とす
る。
ときに、被検光路と参照光路とから固体撮像素子３０に
入射する光による干渉縞信号の平均値を、与えた信号の
周期に比べて十分長い時間（少なくとも、１０周期以
上）にわたって取得し、これを第１データＭ0(x,y)とす
る。
【００５１】（ステップ６） 次に、レーザ光源１２に
与える駆動信号の位相のみを、上記ステップ４における
位相に対して、π／２だけずらし、ステップ５と同様の
データを取得し、これを第２データＭ1(x,y)とする。
与える駆動信号の位相のみを、上記ステップ４における
位相に対して、π／２だけずらし、ステップ５と同様の
データを取得し、これを第２データＭ1(x,y)とする。
【００５２】（ステップ７） さらに、同様にして、レ
ーザ光源１２に与える駆動信号の位相のみを、上記ステ
ップ４における位相に対して、πおよび３π／２だけず
らし、それぞれステップ５と同様のデータを取得し、こ
れを第３データＭ2(x,y)および第４データＭ3(x,y)とす
る。
ーザ光源１２に与える駆動信号の位相のみを、上記ステ
ップ４における位相に対して、πおよび３π／２だけず
らし、それぞれステップ５と同様のデータを取得し、こ
れを第３データＭ2(x,y)および第４データＭ3(x,y)とす
る。
【００５３】（ステップ８） 上記のようにして得られ
た第１〜第４データから、前述の式（２．１５）を用い
て、被検振動体Ｔの振幅分布ａ(x,y)を計算する。
た第１〜第４データから、前述の式（２．１５）を用い
て、被検振動体Ｔの振幅分布ａ(x,y)を計算する。
【００５４】（ステップ９） 同様に式（２．１６）を
用いて位相分布θ(x,y)を計算する。
用いて位相分布θ(x,y)を計算する。
【００５５】（ステップ１０） このようにして計算さ
れた振幅分布ａ(x,y)および位相分布θ(x,y)の計算結果
をモニター３２等により表示する。
れた振幅分布ａ(x,y)および位相分布θ(x,y)の計算結果
をモニター３２等により表示する。
【００５６】（ステップ１１） 被検振動物体に与える
振動の条件を変えて、ステップ３〜１０を繰り返す。
振動の条件を変えて、ステップ３〜１０を繰り返す。
【００５７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
レーザ波長変調手段によりレーザ光源からの出射レーザ
光の波長を変調し、同時に振動付与器により、このよう
に変調されたレーザ光の周波数と同一の周波数で被検振
動体を振動させ、変調されたレーザ光の位相を被検振動
体の振動位相に対して変化させ、このようにしてレーザ
波長変調手段による制御が行われている間にわたって、
信号取得手段により干渉縞信号を取得して被検振動体に
おける振動の振幅分布および位相分布を測定するので、
測定系に振動するものが存在せず、高精度な測定が可能
である。
レーザ波長変調手段によりレーザ光源からの出射レーザ
光の波長を変調し、同時に振動付与器により、このよう
に変調されたレーザ光の周波数と同一の周波数で被検振
動体を振動させ、変調されたレーザ光の位相を被検振動
体の振動位相に対して変化させ、このようにしてレーザ
波長変調手段による制御が行われている間にわたって、
信号取得手段により干渉縞信号を取得して被検振動体に
おける振動の振幅分布および位相分布を測定するので、
測定系に振動するものが存在せず、高精度な測定が可能
である。
【図１】本発明に係る振動測定装置の一例を示す構成説
明図である。
明図である。
【図２】干渉系を用いて被検振動物体の振動測定を行っ
た場合での、振動強度と振幅との関係を示すグラフであ
る。
た場合での、振動強度と振幅との関係を示すグラフであ
る。
１０ コントローラ １１ 振動付与器 １２ レーザ光源 １３ 第１ビームスプリッタ ２７ 第２ビームスプリッタ ３０ 固体撮像素子 ３１ 画像処理装置 ３２ モニター
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 和田 仁 宮城県仙台市青葉区八幡４丁目10の９ (72)発明者 奈良 誠 東京都品川区西大井１丁目７番11号 株式 会社ニコン技術工房内
Claims (4)
- 【請求項１】 波長変調可能なレーザ光源と、 被検震動体を振動させる振動付与器と、 このレーザ光源からの出射レーザ光を二分割する光分割
手段と、 この光分割手段により分割された一方のレーザ光を前記
被検振動体上に照射させ、前記被検振動体から反射され
てくる光を導く被検光路と、 この被検光路の長さと異なる光路長さを有し、前記光分
割手段により分割された他方のレーザ光を導く参照光路
と、 前記被検光路を通ったレーザ光と前記参照光路を通った
レーザ光とを重ね合わせる光合成手段と、 この光合成手段により重ね合わされたレーザ光を受光し
て前記重ね合わされたレーザ光の干渉縞信号を得る信号
取得手段と、 この信号取得手段により得られた前記干渉縞信号を信号
処理する信号処理手段と、 前記レーザ光源の出力波長を変調制御するレーザ波長変
調手段とを備え、 このレーザ波長変調手段により前記レーザ光源からの出
射レーザ光の波長を変調し、前記振動付与器によりこの
ように変調されたレーザ光の周波数と同一の周波数で前
記被検振動体を振動させ、前記変調されたレーザ光の位
相を前記被検振動体の振動位相に対して変化させ、 このような前記レーザ波長変調手段による制御が行われ
ている間に前記信号取得手段により得られた干渉縞信号
から、前記被検振動体における振動の振幅分布および位
相分布を測定することを特徴とする振動測定装置。 - 【請求項２】 前記レーザ波長変調手段によるレーザ光
の波長変調量Δλを、次式 λ2／（１０Ｌ） ＜Δλ＜ λ2／（４Ｌ） 但し、Ｌ： 前記被検光路と前記参照光路との光路長
差、 λ： 前記出射レーザ光の波長λ により定まる範囲内において設定することを特徴とする
請求項１に記載の振動測定装置。 - 【請求項３】 前記信号取得手段により少なくとも前記
周波数周期の１０倍以上の長い時間にわたって得られた
干渉縞信号の平均値から、前記被検振動体における振動
の振幅分布および位相分布を測定することを特徴とする
請求項１もしくは２に記載の振動測定装置。 - 【請求項４】 前記変調されたレーザ光の位相を前記被
検振動体の振動位相と一致させたときにおける前記干渉
縞信号の平均値を第１データＭ0(x,y)として取得し、 前記変調されたレーザ光の位相を前記被検振動体の振動
位相に対して、それぞれπ，π／２，３π／２だけずら
せたときにおける前記干渉縞信号の平均値を第２データ
Ｍ1(x,y)，第３データＭ2(x,y)，第４データＭ3(x,y)と
して取得し、 次式 (Ｍ1(x,y)−Ｍ3(x,y))2＋(Ｍ2(x,y)−Ｍ0(x,y))2＝４ｋ
1 2ａ(x,y)2 から、振幅分布ａ(x,y)を計算し、 次式 θ0(x,y)＝arctan((Ｍ1(x,y)−Ｍ3(x,y))／(Ｍ2(x,y)−
Ｍ0(x,y)) から、位相分布θ0(x,y)を計算することを特徴とする請
求項１〜３のいずれかに記載の振動測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8332114A JPH10170334A (ja) | 1996-12-12 | 1996-12-12 | 振動測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8332114A JPH10170334A (ja) | 1996-12-12 | 1996-12-12 | 振動測定装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10170334A true JPH10170334A (ja) | 1998-06-26 |
Family
ID=18251318
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8332114A Pending JPH10170334A (ja) | 1996-12-12 | 1996-12-12 | 振動測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10170334A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104614064A (zh) * | 2015-02-13 | 2015-05-13 | 福州大学 | 一种基于条纹靶的高速多维度振动测量装置及方法 |
| KR101539945B1 (ko) * | 2014-05-02 | 2015-07-30 | 에스엔유 프리시젼 주식회사 | 간섭계를 이용한 진동측정방법 |
| JP2017003397A (ja) * | 2015-06-09 | 2017-01-05 | 国立大学法人 新潟大学 | 平面振動計測装置及び平面振動計測方法 |
| CN110657964A (zh) * | 2019-09-03 | 2020-01-07 | 国网浙江省电力有限公司嘉兴供电公司 | 一种基于泛在电力物联网的高压断路器机械性能检测系统及方法 |
-
1996
- 1996-12-12 JP JP8332114A patent/JPH10170334A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101539945B1 (ko) * | 2014-05-02 | 2015-07-30 | 에스엔유 프리시젼 주식회사 | 간섭계를 이용한 진동측정방법 |
| CN104614064A (zh) * | 2015-02-13 | 2015-05-13 | 福州大学 | 一种基于条纹靶的高速多维度振动测量装置及方法 |
| JP2017003397A (ja) * | 2015-06-09 | 2017-01-05 | 国立大学法人 新潟大学 | 平面振動計測装置及び平面振動計測方法 |
| CN110657964A (zh) * | 2019-09-03 | 2020-01-07 | 国网浙江省电力有限公司嘉兴供电公司 | 一种基于泛在电力物联网的高压断路器机械性能检测系统及方法 |
| CN110657964B (zh) * | 2019-09-03 | 2021-10-29 | 国网浙江省电力有限公司嘉兴供电公司 | 一种基于泛在电力物联网的高压断路器机械性能检测系统及方法 |
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